Сопротивление бесполезно: сверхпроводимость предвещает век электрического полета

Поскольку воздушные перевозки оказываются под вопросом из-за уменьшения их воздействия на окружающую среду и побуждают нас пересмотреть наши транспортные варианты, ученые ищут более экологичные пути для обеспечения полетов.

Несмотря на то, что технологии электромобилей развиваются, и потребители медленно, но верно приходят к мысли о вождении с электрокара, перспективы электрического полета все еще очень далеки.

Электрический полет

Но электрический полет станет реальностью - вопрос только в том, когда.

«Предыдущий консенсус заключался в том, что полет на полностью электрическом дальнемагистральном самолете размером с Airbus A350 или Boeing 787 произойдет через 20 или 30 лет», - говорит профессор Вейцзя Юань из Университета Стратклайда.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

«Но из-за неотложной необходимости сократить выбросы углерода нам нужны некоторые радикальные технологии, позволяющие нетрадиционным решениям ускорить этот процесс. Исследования, которые мы проводим сейчас, проложат этот путь».

Профессор Юань возглавляет команду из 15 человек на факультете электроники и электротехники, которая занимается исследованием прикладной сверхпроводимости в накопителях энергии, кабелях и силовых установках для самолетов.

«Сверхпроводимость является критически важной технологией для обеспечения полета с нулевым уровнем выбросов», - говорит профессор Юань.

Основная задача для электрического полета состоит в том, чтобы сделать аккумуляторы и электрические двигатели маленькими, но при этом достаточно мощными, чтобы позволить пассажиру и его багажу покинуть землю и вообще путешествовать на любое расстояние, прежде чем закончится топливо.

«В настоящее время невозможно использовать обычные электродвигатели для питания большого пассажирского самолета, потому что они слишком громоздки и не имеют достаточной плотности энергии, но сверхпроводники могут помочь».

«Для приведения в действие самолета размером с Airbus 320 или Boeing 737 потребуется удельная энергия , по меньшей мере, 40 кВт/кг. В настоящее время большинство обычных двигателей на рынке могут выдать примерно 5 кВт/кг».

Чтобы получить больше энергии от электродвигателей, вам нужно увеличить емкость энергоустановки.

Сверхпроводники, как следует из названия, - это материалы, которые очень хорошо пропускают электрические токи с небольшим сопротивлением или вообще без него.

Большинство людей знают, что некоторые материалы проводят электричество лучше, чем другие; например, медная проволока и резиновая перчатка.

Чем больше материал сопротивляется электрическому току, тем больше электрической энергии теряется в виде тепла, света или шума. Это касается существующих электрических двигателей. Чем больше сопротивление, тем менее эффективна система.

Одним из способов снижения сопротивления материала является его охлаждение. Чем холоднее становится материал, тем он становится более проводящим, пока не достигнет критической температуры, когда все электрическое сопротивление внезапно исчезает и становится сверхпроводящим, увеличивая количество доступной энергии.

Переохлажденная медь (охлажденная до минус 200 градусов по Цельсию) может выдерживать ток в 1000 раз больший, чем при комнатной температуре.

Переохлажденная сверхпроводящая катушка теоретически может удерживать электрический заряд бесконечно долго.

Однако необходимость держать сверхпроводники в очень холодном состоянии для устранения их электрического сопротивления представляет собой проблему.

В то время как некоторые исследовательские группы по всему миру исследуют так называемую высокотемпературную сверхпроводимость, работа профессора Юаня сосредоточена на низкотемпературных проводниках.

В настоящее время наиболее распространенным способом переохлаждения проводника является использование жидкого азота - самого распространенного газа в атмосфере.

Можно также использовать жидкий гелий, но это гораздо более редкий элемент, в то время как жидкий водород, чрезвычайно взрывоопасный элемент и требует осторожного обращения.

Последний, однако, может быть использован для водородных топливных элементов и может быть предпочтительным источником энергии для авиационной промышленности.

Профессор Юань говорит: «Возможно, самолеты с электрическим двигателем будут нести водород для использования как в качестве топлива, так и в качестве хладагента. Но с водородом возникает большая проблема безопасности, которую необходимо решить».

«Наша работа направлена ​​на то, чтобы попытаться повысить эффективность электродвигателей путем минимизации охлаждения, за счет новых конфигураций катушки двигателя, выполненных с использованием редкоземельных металлов, таких как оксиды иттрия, бария и меди, а затем с использованием передовых аналитических инструментов для руководства конструкцией."

Большая часть исследований проводится в недавно открывшейся современной Лаборатории прикладной сверхпроводимости в Центре технологий и инноваций (TIC).

Команда работает с отраслевыми партнерами, включая Airbus, Rolls-Royce и Epoch Wires, при финансировании Совета по исследованиям в области инженерных и физических наук (EPSRC), Innovate UK, Британского совета и Королевской академии инженерных наук, которые также профинансировали два проекта по инженерным исследованиям.

Несмотря на то, что до электрических полетов такого типа, которые доставят сотни отдыхающих в теплые края, может пройти еще несколько десятилетий, профессор Юань с оптимизмом смотрит на эту технологию.

«Есть еще способы усовершенствовать реактивные двигатели, не переходя на полностью электрический двигатель, например, с помощью гибридной силовой установки, в которой вы используете сгорание в качестве источника энергии, но электродвигатели отвечают непосредственно за полет. Это даст экономию в диапазоне 10-20%», -  говорит он.

«Полет - это лишь одно из многих применений, которые могут извлечь выгоду из сверхпроводимости: другие включают в себя энергетические системы, которые мы используем в наших домах и промышленности, кабели для передачи энергии от морских ветровых установок, которые могут создать европейскую электрическую суперсеть». 

Профессор Юань и доктор Мин Чжан участвуют в новом четырехлетнем проекте под названием Horizon 2020, , стоимостью 10,4 млн. евро, который называется «Исследование и разработка технологий гибридной электрической тяги».

Проект, возглавляемый французской аэрокосмической лабораторией ONERA и объединяющий 33 ключевых партнера в области авиационной промышленности и научных исследований, позволит исследовать электрические технологии для гибридных электрических самолетов, а также разработать усовершенствованные конфигурации самолетов и инновационные двигательные установки.

Профессор Юань и доктор Чжан сосредоточатся на криогенной силовой электронике и распределении сверхпроводящей энергии.

Конечная цель проекта - оценить потенциал гибридной электрической тяги для снижения выбросов коммерческой авиации и в конечном итоге составить технологическую дорожную карту для ее развития.

Профессор Юань говорит: «Я надеюсь, что наши исследования будут применены в ближайшие пять-десять лет, и я смогу успешно создать дочернюю компанию для их коммерциализации.

«Когда вы рассмотрите материалы, с которыми мы работаем, то увидите в основном оксиды редкоземельных металлов, обнаруженные только в 1986 году. Работа с ними требует большего времени, прежде чем мы сможем применить их для повседневных задач», - говорит профессор Юань. опубликовано econet.ru по материалам phys.org

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet